基于几何相位超表面的Ince-Gaussian矢量涡旋光场聚焦

为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控，采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布，以SiO₂为基底、亚波长TiO₂椭圆柱的六边形晶胞为基本结构，设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面，适用于480nm~580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证，发现该结构对线偏振光聚焦，其归一化后的半峰全宽约为428nm，而对矢量光聚焦约为258nm，获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性，得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构，但中心结构信息会有损失的结果，即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在，聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明，超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。     

可变光阑对焦深影响的探究

传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于Richards-Wolf矢量衍射理论,研究了可变光阑以及透镜数值孔径对双环角向偏振光束聚焦特性的影响。结果表明,通过改变光阑大小以及透镜数值孔径,不仅可以改变焦斑光强、焦斑大小,也可以显著改变焦场暗通道的长度,从而生成较长的暗通道。生成的可变焦场暗通道未来可用于光学微操纵以及微加工的应用中。     

紧聚焦的角向偏振艾里光束产生超分辨光针

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性,采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响;分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布,得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布,实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束,紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明,光针的半峰全宽为0.395λ,聚焦深度为37.432λ,纵横比达到94.788;通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布,发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化,且光束中心奇异点消失,实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。     

非相干叠加光束携带C点偶极子的演化特性

为了探讨非相干叠加光束携带C点偶极子的演化特性, 推导了携带C点偶极子的高斯光束非相干叠加传输表达式, 并进行了数值模拟研究。结果表明, 构成C点偶极子的两个C点的位置和偏振度会随着相关参数的变化而改变; 在旁轴情形下, 没有C点产生和湮灭, 并且这两个C点连线的斜率随着传输距离的增加而单调增加; 在非旁轴情形下, 当光束传输到z= 0.01z_R时, 有多个C点偶极子产生, 在z=10.39z_R时又出现C点偶极子的湮灭; 在瑞利距离z_R处, 光腰半径增加到0.222μm和0.56μm时分别出现C点偶极子的产生和湮灭; 随着离轴距离和光束波长的变化, 也出现C点的产生和湮灭。研究结果对深入理解偏振奇点矢量光束和寻找奇点光学潜在应用具有一定参考价值。     

基于狭槽天线超表面的复振幅光瞳滤波器

为了产生具有特殊性质的聚焦矢量光场,根据狭槽天线与线偏振片的相似性,设计了刻蚀有多个不同方向狭槽天线环形阵列的超表面,作为离散型复振幅光瞳滤波器使用。以径向偏振入射光为例,经该滤波器并经大数值孔径透镜紧聚焦后,可获得衍射受限的超长3维光管场。结果表明,由于狭槽天线具有局域调控入射光场振幅和相位的特性,各个环带上具有各自特定的透射率,同时具有特定的二元相移（0/π）分布,可以用来实现具有特殊性质的矢量光场。这种结构的超表面对矢量光束的产生与调控提供了新途径。     

部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式。详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响。研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换为轨道角动量。此外,研究了紧聚焦后光束对金属瑞利粒子的辐射力。研究表明:低阶光学参数的部分相干左旋圆偏振反常涡旋光束形成的实心光强分布可对金属瑞利粒子捕获。研究结果对部分相干涡旋光束在光镊中的应用具有理论价值。     

双曲线顶点对轴锥镜聚焦柱矢量光束的影响

基于瑞利-索末菲矢量衍射理论和振幅透过率函数,研究了轴锥镜的柱矢量光束聚焦特性。研究结果表明,径向偏振光的矢量聚焦场由径向分量及轴向分量构成,而角向偏振光的矢量聚焦场仅由角向分量构成,同时聚焦场焦深随束腰半径的增大而增加。相较理想情况,锥顶为双曲线时,焦深几乎不变,但光强因干涉效应发生振荡,其依赖于入射光的束腰半径,当径向偏振光束腰半径达到4 mm,角向偏振光束腰半径达到3.5 mm时,振荡现象消失。研究结果为轴锥镜的实际应用,以及进一步完善柱矢量光束聚焦场理论提供了参考。     

基于衍射受限矢量光管场的离散式复振幅滤波器的设计

提出一种离散式的复振幅光瞳滤波器,用于构建大数值孔径系统下柱对称偏振矢量光束的特殊聚焦光场。输入角向偏振矢量光束,经圆对称的6个离散环带复振幅滤波器滤波后聚焦。该滤波器半径已归一化,各环带具有不同透射振幅,外围两环带有相同的相位延迟,其余相邻透射环带间π反相。在聚焦区可获得超长(大于8λ)的衍射受限"光管"场。该"光管"场为中空的纯角向偏振矢量光场,管中心沿轴向无光场分布,光管横向直径(约0.31λ)在亚波长量级,"光管"管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场,无轴向旁瓣。该复振幅滤波器可用于构建特殊三维矢量光场以及利用该光场进行粒子捕获和操控。     

J0相关径向偏振涡旋光束紧聚焦的空间相干特性

为了研究J₀相关径向偏振涡旋光束深聚焦的相干特性,采用矢量德拜理论和相干理论,对聚焦场在光轴和焦平面上的相干特性进行了理论分析和数值仿真,取得相干度表达式和模拟数据。结果表明,在焦点区域的纵向相干度不但随着拓扑荷数n的增加而增大,而且还随着相干参量或者数值孔径d_NA的增大而减小;在焦平面的横向相干度也随着拓扑荷数或者相干参量或者数值孔径的增大而减小; 当n≥5或者d_NA≤0.4时,纵向相干度在焦点附近约为1;这种相干度还存在相位异常点。这些研究结果对J₀相关矢量涡旋光束在许多领域的应用具有一定意义。     

圆柱偏振贝塞耳-高斯光束经高数值孔径透镜的聚焦

利用里查德-沃耳夫(Richards-Wolf)矢量衍射积分模型,推导了圆柱偏振贝塞耳-高斯(CPBG)光束经高数值孔径透镜聚焦的光场表达式,并用数值计算分析了各相关参数的取值变化对焦面及焦点附近光强分布的影响。研究表明,焦面光强大小及光强剖面形状与贝塞耳函数项相关参数β,偏振旋转角0,光束束腰宽度w0和数值孔径角α的取值相关。通过控制各相关参数的取值,在聚焦场中获得了有广泛实际应用的具有涡旋性质的局域空心光束和平顶光束。     

光热光束偏转方法测量激光束特征参数

本文叙述了光热光束偏转方法的基本原理,介绍了一种新的应用光热光束偏转方法测量聚焦激光束的特征参数及聚焦透镜焦距的方法。实验测量了经单一锗透镜聚焦后的CO_2激光束的腰斑半径和位置,同时确定了聚焦锗透镜的焦距,其结果与实际情况一致。     

Propagation properties of a cylindrically polarized vector beam

A general expression for the electric field of a cylindrically polarized vector beam propagating in free space is derived on the basis of the exact fully vectorial solution of Maxwell equations in transverse Fourier space,which indicates that a cylindrical polarization can be regarded as the combination of radial and azimuthal polarizations, and the electric field retains cylindrical symmetry under the propagation. The simulation results denote that the longitudinal electric field depends on the ratio of the waist width to wavelength and the angle between the electrical vector and the radial direction; in particular, when this angle is 24.5°, a flattop intensity distribution is obtained at the plane z=0.     

圆柱面镜用于端面抽运光束整形误差分析

为了简化二极管端面抽运固体激光器的快轴准直,建立了圆柱面镜和聚焦镜作为二极管快轴准直系统的模型,给出了系统设计方法和关键参数的控制方法,通过仿真论证了以圆柱面镜做二极管激光器快轴校准的可行性,抽运光腰斑的大小和位置可以通过选择柱面镜半径、光源到柱面镜的距离、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距来控制.结果表明,当柱面镜半径3mm、光源到柱面镜的距离0.7mm、柱面镜到聚焦镜的距离及聚焦镜焦距5mm时,抽运YAG晶体可以得到大于47%的光-光效率.     

深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差

深紫外光刻投影物镜是光刻机的核心部件,然而无论是照明光场偏振态的空间分布,还是光刻投影物镜自身的偏振像差都将改变光束的紧聚焦特性,对成像质量造成不可忽略的影响。基于三维琼斯矩阵,把偏振像差函数推广到三维空间,建立了三维相干光场中偏振像差的评价方法,并分析了典型的偏振敏感光学系统深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差,详细阐述了其物理意义。研究发现:三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、光学薄膜以及光学系统的自身结构密切相关。深入讨论了光学薄膜及偏振效应对光刻投影物镜成像质量的影响,进一步研究了照明光场的偏振态分布与光学系统波像差的关系,研究表明:光学薄膜引入的附加位相将导致光刻投影物镜的像质明显下降,而采用径向矢量光场照明可以改善成像质量。     

Analysis of fiber lens with gradient index based on thin lens equivalence

Optical communication components have been devel-oped currentlytowards the direction of micromation andintegration. The problem which li mits the componentperformancesis howto couple the function slugs to theinput-output fiber effectively,as appeared in a…